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當(dāng)前，我們已進(jìn)入了互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以不可阻擋的潮流進(jìn)入各行各業(yè)，給各行各業(yè)的變革帶來(lái)強(qiáng)大的動(dòng)力，同時(shí)也對(duì)各行各業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生巨大的影響。在這新技術(shù)發(fā)展的歷史關(guān)頭，作為互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的產(chǎn)物，智能制造的概念誕生了。互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代涌現(xiàn)出的許多新技術(shù)推動(dòng)了智能制造的發(fā)展。當(dāng)然如何應(yīng)用這些新技術(shù)到工業(yè)領(lǐng)域，特別是制造領(lǐng)域，正是我們目前要解決的重大問(wèn)題。 德國(guó)數(shù)年前提出的所謂“工業(yè)4.0”的口號(hào)，其主要任務(wù)就是實(shí)現(xiàn)“智能工廠”和“智能生產(chǎn)”。從這個(gè)概念出發(fā)，無(wú)論是智能工廠還是智能生產(chǎn)，其根本的核心就是生產(chǎn)制造模式的變革。 智能制造的目標(biāo)就是對(duì)目前的生產(chǎn)制造模式進(jìn)行轉(zhuǎn)型升級(jí)，從而達(dá)到改善和優(yōu)化生產(chǎn)制造價(jià)值鏈，融合產(chǎn)品生命周期鏈，提高企業(yè)管理業(yè)務(wù)鏈的目的，使得推入到市場(chǎng)的產(chǎn)品質(zhì)量更好、成本更低、速度更快、效率更高。一句話，企業(yè)在市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力更高。那么智能制造的生產(chǎn)模式需要什么樣的自動(dòng)控制系統(tǒng)？這種控制系統(tǒng)與工業(yè)3.0中的自動(dòng)化技術(shù)有什么區(qū)別？應(yīng)用到智能制造中的自動(dòng)控制技術(shù)要做什么樣的演變，才能滿足智能制造的生產(chǎn)模式的要求？這些都是我們現(xiàn)在要探索的問(wèn)題。

1　自動(dòng)化制造生產(chǎn)模式VS智能制造生產(chǎn)模式

要實(shí)現(xiàn)智能制造是否要對(duì)目前的PLC控制系統(tǒng)（或自動(dòng)化控制系統(tǒng)）進(jìn)行改革呢？這里我們必須要了解工業(yè)4.0創(chuàng)導(dǎo)的智能制造模式與自動(dòng)化制造模式有什么區(qū)別，工業(yè)4.0的智能制造模式對(duì)于工業(yè)3.0的生產(chǎn)制造模式有什么改變和延伸。而這種延伸和改變是否對(duì)PLC控制系統(tǒng)提出了新的需求。

1.1　自動(dòng)化制造生產(chǎn)模式

德國(guó)工業(yè)4.0將第三次工業(yè)革命定義為以自動(dòng)化技術(shù)為核心的生產(chǎn)制造模式。通過(guò)廣泛地采用了自動(dòng)化技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)、IT和通訊技術(shù)構(gòu)成了一個(gè)以自動(dòng)化金字塔為核心的生產(chǎn)制造模式，它提高了生產(chǎn)效率，降低了制造成本，產(chǎn)品質(zhì)量也大大提高。對(duì)此PLC技術(shù)發(fā)展起到了決定性的作用。幾十年來(lái)，PLC技術(shù)無(wú)論是在運(yùn)行速度、應(yīng)用范圍、數(shù)據(jù)處理能力還是通信能力上（如現(xiàn)場(chǎng)總線，工業(yè)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)）均大大提高。一個(gè)完美成熟的PLC系統(tǒng)已經(jīng)形成，成為了推動(dòng)工業(yè)3.0發(fā)展的中堅(jiān)力量。然而PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理及功能主要是解決生產(chǎn)制造運(yùn)行的過(guò)程和狀態(tài)的控制問(wèn)題。（CPU速度、容量、通信接口、控制點(diǎn)數(shù)），即對(duì)生產(chǎn)制造系統(tǒng)中實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的控制和處理，而對(duì)非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的分析、存儲(chǔ)、歸納、總結(jié)等任務(wù)，往往通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)接口送到上位信息化平臺(tái)進(jìn)行處理。因此目前的PLC自動(dòng)化控制平臺(tái)沒(méi)有涉及到生產(chǎn)制造管理、企業(yè)管理乃至產(chǎn)品生命周期的管理。這樣的PLC系統(tǒng)就不能很好地與生產(chǎn)管理系統(tǒng)MES和企業(yè)管理系統(tǒng)ERP整合起來(lái)。往往一家生產(chǎn)型企業(yè)管理系統(tǒng)的制定要有三家從事不同軟件公司參加（ERP、MES和PLC供應(yīng)商）。由于各家公司專業(yè)的差異性，各種技術(shù)應(yīng)用的屏蔽性使得生產(chǎn)制造和生產(chǎn)管理不能充分地融合以獲得最大的效益。因此MES和ERP的價(jià)值也沒(méi)有在工業(yè)領(lǐng)域得到普遍的認(rèn)同，僅僅起到錦上添花式的功能，沒(méi)有在工業(yè)生產(chǎn)制造領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。另一方面，PLC控制系統(tǒng)的任務(wù)也僅僅限于生產(chǎn)制造流水線運(yùn)行控制監(jiān)視和維護(hù)，而對(duì)于產(chǎn)品生命周期的整個(gè)管理任務(wù)也沒(méi)有牽涉到。所以目前的PLC系統(tǒng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能完成生產(chǎn)制造對(duì)于成本、速度、效率和質(zhì)量等的綜合目標(biāo)的要求。

1.2　智能制造生產(chǎn)模式

要了解智能制造，首先要了解智能的含義。中國(guó)的文化博大精深，將英文Intelligent翻譯成兩個(gè)字，一個(gè)叫“智”，一個(gè)叫“能”，“智”是指人的思維，分析歸納總結(jié)。“能”是指人的本事，技能技巧。所以智能不僅強(qiáng)調(diào)技能技巧，而更要突出應(yīng)用思維分析能力的重要性。因此“智能”制造相對(duì)于自動(dòng)化制造其構(gòu)成的系統(tǒng)必須要有“思考分析”的能力。智能制造是工業(yè)3.0生產(chǎn)制造模式的升級(jí)版和變革版，其目標(biāo)就是對(duì)目前的生產(chǎn)制造模式進(jìn)行轉(zhuǎn)型升級(jí)，解決目前采用自動(dòng)化制造生產(chǎn)模式不能解決的問(wèn)題，即在互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代產(chǎn)品生命周期不斷縮短的問(wèn)題: 由于產(chǎn)品的生命周期越來(lái)越短，產(chǎn)品更新?lián)Q代的快速響應(yīng)要求越來(lái)越高，產(chǎn)品的品種越來(lái)越多，但是數(shù)量越來(lái)越少。多批量性生產(chǎn)成為目前產(chǎn)品市場(chǎng)需求的發(fā)展趨勢(shì)。而產(chǎn)品數(shù)量的減少又給產(chǎn)品的成本帶來(lái)了前所未有的壓力。成本降低然而投資商獲取利潤(rùn)時(shí)間上的快速性要求又對(duì)傳統(tǒng)的生產(chǎn)制造企業(yè)的盈利模式帶來(lái)了極大的沖擊; 與此同時(shí)能源使用效率、節(jié)能減排等要求，使得傳統(tǒng)的生產(chǎn)制造業(yè)面臨了前所未有的挑戰(zhàn)。正因?yàn)檫@些挑戰(zhàn)，智能制造生產(chǎn)模式提到了議事日程。

智能制造的基本戰(zhàn)略思路就是如何利用迅速發(fā)展的IT技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)的自動(dòng)化生產(chǎn)制造模式進(jìn)行變革，將IT技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)融合于自動(dòng)控制PLC系統(tǒng)中，改變傳統(tǒng)自動(dòng)化生產(chǎn)制造模式。按照靈活性、快速響應(yīng)性、成本效率性以及投資回報(bào)率短期性的要求，建立一個(gè)高度靈活、數(shù)字化的智能生產(chǎn)制造系統(tǒng)，將生產(chǎn)制造體系與產(chǎn)品生命周期管理整合在一起，形成一個(gè)以產(chǎn)品全生命周期為核心的智能制造生產(chǎn)模式，這種智能制造生產(chǎn)模式不僅僅從生產(chǎn)制造這一端來(lái)解決成本、效率、速度、質(zhì)量和靈活性的問(wèn)題，更從產(chǎn)品生命周期的管理的方法來(lái)全面地解決這些問(wèn)題。使得研發(fā)、生產(chǎn)的產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力更強(qiáng)，產(chǎn)品的性價(jià)比更高，產(chǎn)品的更新?lián)Q代更能滿足市場(chǎng)和客戶的需要。

因此，智能制造相對(duì)于傳統(tǒng)的生產(chǎn)制造模式有著本質(zhì)上的變革和提升，在互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代中智能制造延伸了生產(chǎn)制造的含義，從單純的生產(chǎn)制造鏈延伸到產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、分析、加工、裝配，預(yù)測(cè)產(chǎn)品的綜合性能、成本、市場(chǎng)響應(yīng)和服務(wù)（采購(gòu)、庫(kù)存、銷售、發(fā)送、維護(hù)、報(bào)廢、回收）的產(chǎn)品生命周期的全過(guò)程。它既考慮了產(chǎn)品的質(zhì)量、成本，同時(shí)又考慮了企業(yè)內(nèi)部的運(yùn)行模式、企業(yè)的應(yīng)變能力以及企業(yè)在市場(chǎng)和客戶中的定位等，因此，可以最大限度地節(jié)約成本、時(shí)間，提高產(chǎn)品的質(zhì)量，快速地把高質(zhì)量、低成本的新產(chǎn)品投放市場(chǎng)，獲得巨大的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益。與此同時(shí)建立企業(yè)的互聯(lián)網(wǎng)生態(tài)圈，更加貼近用戶意識(shí)。無(wú)論是研發(fā)與設(shè)計(jì)、生產(chǎn)與制造，還是營(yíng)銷與服務(wù)都可以滿足消費(fèi)者需求作為出發(fā)點(diǎn)和歸宿點(diǎn)，推行用戶體驗(yàn)式的設(shè)計(jì)、制造和服務(wù)的一體化，這樣形成研發(fā)、制造和服務(wù)三位一體的智能制造生產(chǎn)模式。同時(shí)產(chǎn)品的數(shù)字化，制造的數(shù)字化和管理的數(shù)字化保證了人、機(jī)和產(chǎn)品之間的無(wú)縫連接，制造信息流、管理信息流及研發(fā)和客戶信息流可以在控制系統(tǒng)中進(jìn)行通訊和交換，這樣的生產(chǎn)制造系統(tǒng)具有自適應(yīng)功能，以及柔性靈活、快速重構(gòu)等智能化的特點(diǎn)。智能化的生產(chǎn)制造模式不但具有對(duì)大規(guī)模生產(chǎn)的適應(yīng)能力，而且具備快速實(shí)現(xiàn)小批量、多品種的定制生產(chǎn)能力，滿足互聯(lián)網(wǎng)經(jīng)濟(jì)下快速迭代的客戶個(gè)性化需求，使得企業(yè)快速贏得客戶、占領(lǐng)市場(chǎng)先機(jī)。

按照以上的分析，原來(lái)的自動(dòng)控制系統(tǒng)的金字塔的內(nèi)容也有了新的含義，如圖1所示。

圖1 自動(dòng)控制系統(tǒng)的金字塔

傳統(tǒng)的自動(dòng)化金字塔結(jié)構(gòu)分為現(xiàn)場(chǎng)層、控制層和管理層。主要做三件事情，即生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)的采集、處理（控制）、顯示，這三層之間的數(shù)據(jù)通過(guò)運(yùn)用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)、工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)和其他的專用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)制造現(xiàn)場(chǎng)I/O信號(hào)，控制數(shù)據(jù)和管理數(shù)據(jù)的通訊和交換。在現(xiàn)場(chǎng)層主要采用現(xiàn)場(chǎng)總線實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)的運(yùn)行狀態(tài)，組態(tài)和執(zhí)行等信號(hào)的采集和分配。在控制層對(duì)工程、生產(chǎn)和設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，將處理好的數(shù)據(jù)反饋到現(xiàn)場(chǎng)層，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備進(jìn)行控制。同時(shí)采用工業(yè)以太網(wǎng)的方法將控制數(shù)據(jù)和一部分現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)送到相應(yīng)的管理層。在傳統(tǒng)的金字塔模型中管理層收集這些控制或現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，同時(shí)送入上位機(jī)。而上位機(jī)才對(duì)這些非實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)結(jié)合企業(yè)管理的其他信息（企業(yè)策劃、資本狀況、流程優(yōu)化、設(shè)備維護(hù)、產(chǎn)品服務(wù)、采購(gòu)、供貨期、產(chǎn)品反饋）進(jìn)行綜合性能指標(biāo)分析和運(yùn)算，然后調(diào)度生產(chǎn)制造現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行執(zhí)行。所以，在自動(dòng)化金字塔中，非實(shí)時(shí)性信息的處理往往離線或由上位工控機(jī)來(lái)執(zhí)行。大量的企業(yè)管理、生產(chǎn)管理的非實(shí)時(shí)性數(shù)據(jù)的分析、判斷和處理不能在控制層進(jìn)行，這是目前金字塔式自動(dòng)化控制系統(tǒng)最大的缺陷。如現(xiàn)在所用的MES、ERP、EPLM系統(tǒng)不能在PLC系統(tǒng)中運(yùn)行，PLC要通過(guò)專用接口將相關(guān)的數(shù)據(jù)先送入上位機(jī)，然后在將上位工控機(jī)計(jì)算好后的部分結(jié)果送到PLC層面上進(jìn)行監(jiān)控。目前IT標(biāo)準(zhǔn)已進(jìn)入工業(yè)領(lǐng)域，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)已廣泛地應(yīng)用到工業(yè)領(lǐng)域，但是它還沒(méi)有進(jìn)入到工業(yè)的核心領(lǐng)域——自動(dòng)控制系統(tǒng)。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)已完成，各種的生產(chǎn)制造管理的IT軟件，如工業(yè)連接、高級(jí)分析、基于條件的監(jiān)控、預(yù)測(cè)維護(hù)、機(jī)器學(xué)習(xí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等應(yīng)用已成為實(shí)現(xiàn)。由此一來(lái)，“IT融合OT”的口號(hào)應(yīng)運(yùn)而生，以IT技術(shù)為代表的廠商希望利用這個(gè)口號(hào)將工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的相關(guān)技術(shù)融合到OT的場(chǎng)景中去，希望利用打造工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的方法來(lái)融合OT技術(shù)。本質(zhì)上工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的產(chǎn)生是在傳統(tǒng)云平臺(tái)的基礎(chǔ)上疊加物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等新興技術(shù)，實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)匯聚與建模分析、工業(yè)經(jīng)驗(yàn)知識(shí)軟件化與模塊化、工業(yè)創(chuàng)新應(yīng)用開(kāi)發(fā)與運(yùn)行，從而支撐生產(chǎn)智能決策、業(yè)務(wù)模式創(chuàng)新、資源優(yōu)化配置和產(chǎn)業(yè)生態(tài)培育的發(fā)展。不管是關(guān)注產(chǎn)品全生命周期為導(dǎo)向的大規(guī)模定制應(yīng)用模式的互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)（試圖利用互聯(lián)網(wǎng)來(lái)對(duì)接企業(yè)與用戶，打通需求、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、服務(wù)等環(huán)節(jié)），還是打通產(chǎn)業(yè)鏈上下游，進(jìn)而優(yōu)化資源配置，或者依托平臺(tái)實(shí)現(xiàn)從企業(yè)管理層到生產(chǎn)層的縱向數(shù)據(jù)集成，進(jìn)而提升軟件的智能精準(zhǔn)分析能力等等，這些互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)達(dá)成的平臺(tái)都沒(méi)有與控制的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行交流，他們做了大量分析，但是對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)的控制作用微乎其微。所以到目前為止所謂的“IT融合OT”實(shí)質(zhì)上僅僅是“IT湊合OT”。在這種形勢(shì)下，人們?cè)谒伎迹绾螌T技術(shù)真正地能引進(jìn)到控制領(lǐng)域從而使得控制系統(tǒng)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化成為可能。目前是否在IT領(lǐng)域和OT場(chǎng)景中加一個(gè)嵌入式運(yùn)算載體，并且通過(guò)OPC UA的通訊接口或加上TSN技術(shù)將非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的運(yùn)算的結(jié)果送入PLC控制器就能實(shí)現(xiàn)IT融合OT呢？筆者認(rèn)為采用這種方法并不能將迅猛發(fā)展的人工智能，移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)，云計(jì)算，大數(shù)據(jù)技術(shù)真正地融合到OT領(lǐng)域。真正做到IO融合OT，PLC控制系統(tǒng)本身必須要做相應(yīng)的改革，才能使得IT技術(shù)真正地進(jìn)入自動(dòng)化控制領(lǐng)域。從而更好地發(fā)揮人工智能、大數(shù)據(jù)等技術(shù)在智能制造上的作用。

2　智能制造條件下PLC控制系統(tǒng)的改革

筆者認(rèn)為PLC自動(dòng)控制系統(tǒng)為了滿足智能制造生產(chǎn)模式的新要求，其本身必須進(jìn)行兩方面的革新：

2.1　重塑PLC框架結(jié)構(gòu)，新型PLC控制系統(tǒng)不僅能處理實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，同時(shí)也能處理非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)

智能制造中的企業(yè)管理結(jié)構(gòu)模式中：管理層是企業(yè)產(chǎn)品生命周期的管理；控制層是研發(fā)端、制造端和服務(wù)端的整合控制；現(xiàn)場(chǎng)層采集的信息一定要有可控、可觀、可測(cè)、可通訊的功能。在這種情況下，智能制造對(duì)自動(dòng)化系統(tǒng)提出了新的要求。PLC控制系統(tǒng)目前的最大問(wèn)題是不能處理、分析、歸納和總結(jié)管理、服務(wù)和研發(fā)的所謂的非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。這個(gè)缺陷形成了PLC控制系統(tǒng)在智能制造中應(yīng)用最大的瓶頸，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能技術(shù)不能直接進(jìn)入到控制系統(tǒng)的核心——PLC控制系統(tǒng)中，限制了迅猛發(fā)展的互聯(lián)網(wǎng)新技術(shù)在控制器層面的應(yīng)用范圍。因此在這種情況下，當(dāng)前的PLC控制系統(tǒng)必須進(jìn)行變革，才能滿足自動(dòng)化系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程和控制相關(guān)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理及管理、服務(wù)等非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的分析、存儲(chǔ)、歸納等要求。

但是實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的性質(zhì)是完全不同的，如表1所示，由于非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)在數(shù)量、時(shí)間、處理方法和傳輸效率方面的不同，使目前的PLC控制系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中僅對(duì)實(shí)時(shí)的控制數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，而沒(méi)有考慮處理管理、研發(fā)、服務(wù)等非實(shí)時(shí)性數(shù)據(jù)的問(wèn)題。

表1 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)

為了滿足智能制造的要求，我們必須改變?cè)瓉?lái)PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中沒(méi)有的實(shí)現(xiàn)非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)（研發(fā)、管理和服務(wù)）處理的功能。因此傳統(tǒng)的PLC控制系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)必須進(jìn)行本質(zhì)上的變革，使PLC控制系統(tǒng)的硬件和操作系統(tǒng)能滿足處理實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和部分的非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的功能。即產(chǎn)品生命周期的研發(fā)、服務(wù)和管理數(shù)據(jù)也能在控制器進(jìn)行運(yùn)算和分析，這樣就形成一個(gè)全新的PLC控制系統(tǒng)，菲尼克斯公司開(kāi)發(fā)的PLCnext控制系統(tǒng)，其系統(tǒng)架構(gòu)模型即是按照這種思路進(jìn)行設(shè)計(jì)的，其簡(jiǎn)化的描述如圖2所示。

圖2 新型PLC的系統(tǒng)機(jī)構(gòu)-從制造數(shù)據(jù)到管理數(shù)據(jù)的處理

在德國(guó)推進(jìn)工業(yè)4.0的初期，菲尼克斯就針對(duì)智能制造對(duì)于新一代的PLC控制器提出的要求，開(kāi)始開(kāi)發(fā)了用于智能制造模式的新型PLC控制系統(tǒng)，并且命名為PLCnext。即互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的PLC控制系統(tǒng)，它的特點(diǎn)是既保留了傳統(tǒng)PLC編程的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)通過(guò)擴(kuò)大了編程語(yǔ)言、工具及開(kāi)源功能集成的自由度的能力，實(shí)現(xiàn)處理非實(shí)時(shí)性的數(shù)據(jù)的功能。其既能處理實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)又能處理非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的PLC控制系統(tǒng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是采用了四大開(kāi)放性的技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

（1）Linux的PLC開(kāi)放性控制平臺(tái)

PLCnext的操作系統(tǒng)是基于Linux系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的，這種系統(tǒng)是一種自由和開(kāi)放源碼的類Unix操作系統(tǒng)，同時(shí)是一款免費(fèi)的操作系統(tǒng)，用戶可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)或其他途徑免費(fèi)獲得，并可以任意修改其源代碼。相對(duì)于傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)，它有以下優(yōu)點(diǎn)：由于Linux的內(nèi)核大部分是用C語(yǔ)言編寫的，并采用了可移植的Unix標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用程序接口，所以它可以支持許多的硬件平臺(tái)包括嵌入式系統(tǒng)在內(nèi)的各種硬件設(shè)備。同時(shí)Linux系統(tǒng)中有許多辦公軟件、圖形處理工具、多媒體播放軟件和網(wǎng)絡(luò)工具，使企業(yè)管理的信息處理與控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理可以有機(jī)地結(jié)合在一起。更主要Linux系統(tǒng)繼承了Unix系統(tǒng)的特點(diǎn)，是一個(gè)真正的多用戶多任務(wù)的操作系統(tǒng)。這個(gè)特性使得PLC控制系統(tǒng)既要處理實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)又要處理非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的設(shè)想成為可能。在PLCnext的操作系統(tǒng)中多名開(kāi)發(fā)人員也可以同時(shí)在不同的開(kāi)發(fā)環(huán)境中從事同一個(gè)項(xiàng)目。這種功能使得來(lái)自產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、設(shè)備工程、生產(chǎn)部門的團(tuán)隊(duì)可以在新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)階段就跨部門合作，協(xié)同配合。真正能夠滿足智能制造對(duì)PLC提出的全生命周期管理的生產(chǎn)制造模式的要求。

圖3 Plcnext技術(shù)

• PLCnext的系統(tǒng)架構(gòu)
  

PLCnext 系統(tǒng)架構(gòu)由PLCnext實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)、內(nèi)部用戶組件和外部用戶組件等3個(gè)部分組成，為自動(dòng)化解決方案提供具有開(kāi)放接口和最大靈活性的面向未來(lái)的控制架構(gòu)。它采用實(shí)時(shí)Linux操作系統(tǒng)，其技術(shù)基于一個(gè)具有來(lái)自yocto（https://www.yoctoproject.org/ ) 的PREEMPT-RT 實(shí)時(shí)補(bǔ)丁（OSADL）的自身的Linux發(fā)布，來(lái)完成這些需求。在硬件方面，采用高性能的多核處理器和大容量的內(nèi)存空間，支持信息安全I(xiàn)EC 62443標(biāo)準(zhǔn)。

• PLCnext實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)
  

PLCnext實(shí)時(shí)運(yùn)行系統(tǒng)用于執(zhí)行實(shí)時(shí)用戶程序，支持IEC 61131-3、C/C++、C#、Matlab Simulink等多種開(kāi)發(fā)環(huán)境。PLCnext Engineer工程軟件是PLCnext控制器的組態(tài)、編程、調(diào)試和可視化的工程工具，方便熟悉IEC 61131-3編程標(biāo)準(zhǔn)的用戶進(jìn)行軟件編程。采用Visual Studio的專用插件，可以使用C＃開(kāi)發(fā)和集成功能塊，使用C＃創(chuàng)建的IEC 61131功能塊通過(guò)eCLR運(yùn)行系統(tǒng)實(shí)時(shí)執(zhí)行。同時(shí)，用戶可以采用Eclipse或者Visual Studio開(kāi)發(fā)符合標(biāo)準(zhǔn)的C/C++用戶程序, 通過(guò)與PLCnext技術(shù)平臺(tái)的簡(jiǎn)易接口, 直接由任務(wù)進(jìn)行調(diào)用，并支持遠(yuǎn)程調(diào)試。采用 MATLAB Simulink開(kāi)發(fā)的代碼，可以以用戶程序的方式直接導(dǎo)入到PLCnext Engineer軟件中，可實(shí)現(xiàn)基于模型設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)無(wú)縫一致的集成。

實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的服務(wù)組件提供了內(nèi)置的OPC UA服務(wù)器、Web服務(wù)器和WebHMI、數(shù)據(jù)記錄、PROFICLOUD網(wǎng)關(guān)和IT協(xié)議支持等多種重要組件。現(xiàn)場(chǎng)總線管理器用來(lái)支持不同實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)和現(xiàn)場(chǎng)總線的連接，包括PROFINET、EtherCAT、Axioline本地 I/O總線和PCIe總線擴(kuò)展功能。

為了保證在操作系統(tǒng)中進(jìn)行實(shí)施任務(wù)和非實(shí)時(shí)任務(wù)的同時(shí)運(yùn)行以及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換的完整性和擬同步性，PLCnext有兩個(gè)已申請(qǐng)專利的專門核心技術(shù)：執(zhí)行和同步管理器（Execuzation& Synchonization Manager，簡(jiǎn)稱ESM）和全局?jǐn)?shù)據(jù)空間（Global Data Space，簡(jiǎn)稱GDS）。ESM組件負(fù)責(zé)處理多核處理器和多任務(wù)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)應(yīng)用，它提供空閑、周期和事件任務(wù)并通過(guò)看門狗功能監(jiān)視應(yīng)用的正確執(zhí)行，不同開(kāi)發(fā)環(huán)境編寫的用戶程序可以在同一個(gè)控制器下運(yùn)行。與ESM相結(jié)合，通過(guò)GDS，以一種方便和簡(jiǎn)單易用的方式來(lái)管理任務(wù)、程序和組件之間的實(shí)時(shí)和周期一致的數(shù)據(jù)傳輸。用戶只需要在PLCnext Engineer工程軟件或基于XML的配置文件中通過(guò)進(jìn)口（IN-Port）和出口（OUT-Port）來(lái)配置程序之間的數(shù)據(jù)交換連接，而無(wú)需經(jīng)過(guò)全局變量或共享內(nèi)存區(qū)。

圖4 任務(wù)同步和實(shí)時(shí)性

• 內(nèi)部用戶組件和外部用戶組件
  

PLCnext包含了兩個(gè)非常重要的功能擴(kuò)展，從而方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)各種開(kāi)源軟件和額外功能擴(kuò)展的支持。內(nèi)部用戶組件是PLCnext的實(shí)時(shí)功能擴(kuò)展，用于執(zhí)行具有一定實(shí)時(shí)性要求的用戶組件，例如SQL、Modbus TCP、MQTT、工業(yè)云通信接口等。外部用戶組件則是PLCnext的非實(shí)時(shí)功能擴(kuò)展，用于執(zhí)行沒(méi)有實(shí)時(shí)通信要求的應(yīng)用程序，例如JAVA應(yīng)用、.Net應(yīng)用、Python應(yīng)用、OPENCV圖像處理等，大大便利了大數(shù)據(jù)，人工智能等算法在PLC層面的編制和運(yùn)行。使得互聯(lián)網(wǎng)軟件技術(shù)與PLC控制系統(tǒng)可以方便地融為一體。

同時(shí) PLCnext技術(shù)獨(dú)立創(chuàng)建的程序部件和完整應(yīng)用程序的任意組合的功能。 以及使用開(kāi)源軟件和App的方法，非常顯著提高開(kāi)發(fā)過(guò)程的效率。借助于菲尼克斯電氣發(fā)布的PLCnext Store，供應(yīng)商和系統(tǒng)集成商可以自由開(kāi)發(fā)各種工業(yè)apps，在PLCnext Store開(kāi)放的平臺(tái)上發(fā)布和分享，供客戶下載使用。PLCnext功能擴(kuò)展的5種類型如圖5所示。

圖5 PLCnext功能擴(kuò)展的5種類型

由于采用了開(kāi)放的控制架構(gòu)，PLCnext 技術(shù)可以自由地實(shí)施自動(dòng)化項(xiàng)目而不受專有系統(tǒng)的限制。用戶可以自由使用喜愛(ài)的編程語(yǔ)言和開(kāi)發(fā)工具、開(kāi)源軟件和應(yīng)用程序，還可以單獨(dú)集成云服務(wù)和未來(lái)技術(shù)。

（2）開(kāi)放性的軟件編程語(yǔ)言

PLCnext以IEC61131-3編程標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，開(kāi)放性的采用C/C++, C#或者M(jìn)atlab Simulink等語(yǔ)言來(lái)開(kāi)發(fā)的不同的功能塊和控制程序。同時(shí)用戶也可以利用已有的開(kāi)源代碼方便地與菲尼克斯電氣PLCnext平臺(tái)結(jié)合起來(lái)，搭建一個(gè)用戶為導(dǎo)向的自動(dòng)化控制系統(tǒng)。比如可以直接用于運(yùn)動(dòng)控制的Matlab進(jìn)行編程，并將其運(yùn)動(dòng)控制算法融合到常用的邏輯運(yùn)算中，大大地提高了PLC系統(tǒng)的運(yùn)算功能。同時(shí)又對(duì)應(yīng)用于Web開(kāi)發(fā)，大數(shù)據(jù)開(kāi)發(fā)，Android開(kāi)發(fā)的JAVA語(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)放，使得信息控制的算法和功能可以整合到PLC控制平臺(tái)上。開(kāi)放性的軟件應(yīng)用平臺(tái)使得Visual Studio、Eclipse、Matlab Simulink、PC Worx等首次進(jìn)行多用戶多任務(wù)的平行運(yùn)行，共同實(shí)時(shí)地共享數(shù)據(jù)信息資源。使PLC的功能不僅僅局限于處理控制信息，同時(shí)還能處理生產(chǎn)研發(fā)、管理的有效信息，為ICT的信息順利地進(jìn)入到OT領(lǐng)域打開(kāi)了一個(gè)通路。互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以方便地與PLC控制系統(tǒng)有機(jī)地整合起來(lái)。從編程的環(huán)境中滿足了前面所提到的控制系統(tǒng)縱向的發(fā)展的要求。

（3）開(kāi)放性的功能塊開(kāi)發(fā)平臺(tái)

PLCnext采用了全新的人機(jī)界面PC-WorxEngineer，為用戶提供IEC 61131-3標(biāo)準(zhǔn)下進(jìn)行編程和體驗(yàn)的自適應(yīng)工程平臺(tái)。該工程平臺(tái)設(shè)計(jì)的獨(dú)特性，適應(yīng)性、便捷性、直觀的界面，以及人性化的功能設(shè)置使得用戶能以最快的速度掌握界面的操作，并且用戶不僅可以免費(fèi)使用PLCnext提供的標(biāo)準(zhǔn)功能塊，同時(shí)結(jié)合自己的應(yīng)用場(chǎng)景編寫自己所需要的專用功能模塊一并使用。值得一提的是這種用戶自行使用和編寫的的自動(dòng)化軟件功能塊通過(guò)PLCnext Engineer的編譯系統(tǒng)自動(dòng)生成的功能安全、信息安全功能，大大減少了開(kāi)發(fā)時(shí)間。PCnext Engineer軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)為開(kāi)放性功能塊的開(kāi)發(fā)提供了一個(gè)高效且面向未來(lái)的工程平臺(tái)。

當(dāng)然所有以上的用戶編寫的程序都放在PLCnext的功能塊數(shù)據(jù)庫(kù)里，其調(diào)用的方法需要在PLCnext Engineer中進(jìn)行參數(shù)化和連接。而對(duì)于一些解決方案為導(dǎo)向的應(yīng)用程序，菲尼克斯還提供了APPStore的技術(shù)建立了PLCnext Store的數(shù)據(jù)庫(kù)，用戶可以直接用JAVA，Python開(kāi)放的自行編寫專門的功能塊，存入Store里供大家使用，更有意義的是它還可以利用其它的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)如Codesys進(jìn)行程序的編譯，自行生成一個(gè)專用“獨(dú)立微控制系統(tǒng)”，這種開(kāi)放性的用戶開(kāi)發(fā)平臺(tái)為PLCnext建立用戶的生態(tài)圈打下了基礎(chǔ)，用戶可以從大量擴(kuò)展軟件功能包中尋找自己所需要的功能包。同時(shí)，菲尼克斯公司提供的PLCnext Community也為這種開(kāi)放性的PLC控制系統(tǒng)提供一個(gè)開(kāi)放性的開(kāi)發(fā)生態(tài)圈。

（4）開(kāi)放性的各種通信接口平臺(tái)

一般的PLC控制系統(tǒng)都采用自己的通信協(xié)議和通信方法。如西門子公司的PLC系統(tǒng)往往采用自己的PROFINET或PROFIBUS。倍福的控制器采用EnterCat或Can-bus，貝加萊采用PowerLink，就是傳統(tǒng)的菲尼克斯控制系統(tǒng)也采用Profinet 或Interbus。這種各控制系統(tǒng)通訊協(xié)議的不一致性，往往給用戶帶來(lái)了極大的不方便。特別在系統(tǒng)的更新?lián)Q代時(shí)無(wú)法使用最佳的控制系統(tǒng)解決方案。PLCnext特別考慮了通訊接口的開(kāi)放性和兼容性, PLCnext Technology控制平臺(tái)為連接其他國(guó)際網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議整合了各種協(xié)議轉(zhuǎn)換調(diào)整技術(shù)，用戶可以按照不同的應(yīng)用場(chǎng)景作出最靈活的選擇。PLCnext對(duì)于幾乎所有的通信協(xié)議，無(wú)論現(xiàn)場(chǎng)總線，工業(yè)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)還是TSN都是開(kāi)放的。解決了控制系統(tǒng)使用最大的瓶頸。此外，PLCnext控制平臺(tái)還支持云計(jì)算服務(wù)，基于PLCnext技術(shù)用戶可以很便捷地將每個(gè)PLCnext設(shè)備連接到云端并可集成自己的云計(jì)算方案，這樣使得進(jìn)行預(yù)測(cè)診斷和（IoT）的融合又邁近了一步。

總結(jié)起來(lái)，PLCnext和傳統(tǒng)PLC相比主要具有以下5個(gè)方面的優(yōu)勢(shì)：

• 增強(qiáng)的連接性：PLCnext技術(shù)能夠在高度網(wǎng)絡(luò)化的自動(dòng)化系統(tǒng)中集成當(dāng)前和未來(lái)的接口和協(xié)議，實(shí)現(xiàn)開(kāi)放式通信。通過(guò)與基于云的服務(wù)和數(shù)據(jù)庫(kù)的直接連接，實(shí)現(xiàn)基于IoT的新業(yè)務(wù)模式。
  

• 增強(qiáng)的自由性： 靈活地集成開(kāi)源軟件和App 。PLCnext技術(shù)支持獨(dú)立創(chuàng)建的程序部件和完整應(yīng)用程序的任何所需組合。使用開(kāi)源軟件和工業(yè)App（例如，PLCnext Store）可提高開(kāi)發(fā)流程的效率。對(duì)于未來(lái)的功能擴(kuò)展，沒(méi)有任何限制。
  

• 增強(qiáng)的便利性：PLCnext技術(shù)的開(kāi)放性使用戶使用喜愛(ài)的編程語(yǔ)言成為可能，無(wú)論是 IEC 61131 還是高級(jí)語(yǔ)言。可以在熟悉的開(kāi)發(fā)環(huán)境中舒適地開(kāi)發(fā)個(gè)性化的解決方案，例如PLCnext Engineer、Matlab Simulink、Eclipse 或Visual Studio。
  

• 增強(qiáng)的開(kāi)發(fā)能力：借助PLCnext技術(shù)，不同年代的多個(gè)開(kāi)發(fā)人員可以使用不同的編程語(yǔ)言并行而獨(dú)立地處理一個(gè)控制器程序。因此，用戶可以利用傳統(tǒng) PLC的優(yōu)勢(shì)以及PLCnext技術(shù)的開(kāi)放性和靈活性快速開(kāi)發(fā)復(fù)雜的應(yīng)用程序。
  

• 增強(qiáng)的性能：根據(jù)需要可以將不同語(yǔ)言的程序序列合并到任務(wù)中。PLCnext 技術(shù)的任務(wù)處理機(jī)制，使得不同來(lái)源的程序例程像傳統(tǒng)的IEC 61131的PLC代碼一樣運(yùn)行，高級(jí)語(yǔ)言程序?qū)⒆詣?dòng)具體時(shí)間確定性。該平臺(tái)可確保一致的數(shù)據(jù)交換和程序代碼的同步執(zhí)行。
  

2.2　PLC控制系統(tǒng)必須整合人工智能的功能

PLC控制系統(tǒng)需要智能化的功能，唯一的方法就是將人工智能的技術(shù)整合到整個(gè)PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中去。那么什么叫人工智能呢？ 清華大學(xué)孫富春教授曾經(jīng)做了這樣的描述：人工智能的最終目標(biāo)就是探討智能形成的基本機(jī)理，研究利用自動(dòng)機(jī)模擬人的思維過(guò)程。而近期的目標(biāo)如何用計(jì)算機(jī)去做那些靠人的智力才能做的工作，一是模擬人的思維過(guò)程，二是模擬人的能力。從而可以認(rèn)為人工智能就是按照人的功能進(jìn)行開(kāi)發(fā)研究的一種技術(shù)。反過(guò)來(lái)講，人有什么功能呢？有眼睛、耳朵、大腦、手腳、神經(jīng)、消化、呼吸。人們正是仿照這些功能產(chǎn)生人工智能，即人工智能的七大功能，如圖6所示。

圖6 人工智能的七大功能

那么人工智能如何用到自動(dòng)化上去？如何與PLC自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)合起來(lái)？ 按照人工智能的7大部分的作用，我們做了以下分類：感知，認(rèn)知和明知。感知就是視覺(jué)和圖像識(shí)別、機(jī)器人的深度化應(yīng)用、聲控和自然語(yǔ)言系統(tǒng)；認(rèn)知就是機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)，一直到神經(jīng)學(xué)習(xí)；明知就是預(yù)測(cè)，專家系統(tǒng)和最佳策劃功能。

圖7 人工智能應(yīng)用到自動(dòng)化

為什么要把人工智能分成三類？這恰恰符合了自動(dòng)化控制系統(tǒng)的三大功能：即數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)分析。

圖8 PLCnext控制器增加的功能

筆者在PLCnext控制器中非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的分析管理中增加了人工智能的明知部分，使得PLCnext內(nèi)容可以對(duì)一些生產(chǎn)、研發(fā)服務(wù)等管理數(shù)據(jù)進(jìn)行分析歸納總結(jié)，實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)、專家系統(tǒng)和最佳策劃的功能。而在PLCnext的邏運(yùn)算部分增加了人工智能的認(rèn)知部分，使得控制器的運(yùn)算部分增加了機(jī)器學(xué)習(xí)的功能。通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)的辨識(shí)、建模和決策的功能使得PLCnext控制器不僅能夠按照已知對(duì)象的調(diào)節(jié)規(guī)律進(jìn)行控制，同時(shí)也可以對(duì)未知的對(duì)象通過(guò)自學(xué)習(xí)的方法進(jìn)行自適應(yīng)控制，使得控制器有了人工智能的功能。在數(shù)據(jù)采集上即現(xiàn)場(chǎng)層增加了視覺(jué)控制，聲控和語(yǔ)言功能，這些功能不僅使我們對(duì)于控制對(duì)象的現(xiàn)狀、運(yùn)行狀態(tài)以及未來(lái)的預(yù)測(cè)有了更多的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，同時(shí)與機(jī)器人組成為一體，使機(jī)器人也有了視覺(jué)和語(yǔ)言功能，機(jī)器人的應(yīng)用場(chǎng)合會(huì)越來(lái)越多，智能化的程度也愈來(lái)愈高了，進(jìn)行分析的數(shù)據(jù)量更多更豐富。利用PLCnext控制平臺(tái)，有機(jī)地整合了人工智能的功能，PLCnext的新型框架結(jié)構(gòu)使智能制造實(shí)現(xiàn)有了新的可能，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了智能制造的生產(chǎn)模式即全產(chǎn)品生命周期的生產(chǎn)制造模式。

3　總結(jié)

按照以上的闡述作為拋磚引玉，提出以下一些觀點(diǎn)：

（1）自動(dòng)化制造不是智能化制造，其根本區(qū)別在于智能制造具有對(duì)外部變化的自適應(yīng)能力，即 ：對(duì)實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的分析、歸納、總結(jié)和制定規(guī)律的能力。

（2）在PLC控制系統(tǒng)的運(yùn)算中嵌入人工智能的功能是實(shí)現(xiàn)智能制造的重要條件。

（3）要實(shí)現(xiàn)智能制造，PLC控制系統(tǒng)本身框架結(jié)構(gòu)必須進(jìn)行變革。

目前，菲尼克斯正依據(jù)PLCnext平臺(tái)，開(kāi)展了以人工智能為導(dǎo)向的智能制造探索工作。首先與大專院校合作，開(kāi)發(fā)應(yīng)用人工智能的各種工業(yè)場(chǎng)景的模塊化實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，如采用VR/AR與人工智能的算法相結(jié)合形成遠(yuǎn)程預(yù)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)，將機(jī)器學(xué)習(xí)算法嵌入到PLC的運(yùn)行控制功能塊實(shí)現(xiàn)自學(xué)習(xí)的識(shí)別建模控制決策，采用大數(shù)據(jù)的基本算法在管理層自行生成專家系統(tǒng)以及最佳策劃的智能機(jī)理等。PLCnext新的控制平臺(tái)為IT真正融合OT打開(kāi)了一個(gè)新的思路，開(kāi)拓一個(gè)新的路徑。希望控制界的工程師們關(guān)注這一新的理念，讓我們共同拭目以待。

作者簡(jiǎn)介：

杜品圣，現(xiàn)任菲尼克斯電氣中國(guó)公司副總裁、總工程師，兼任中國(guó)自動(dòng)化學(xué)會(huì)理事、上海仿真學(xué)會(huì)常委、武漢理工大學(xué)客座教授、同濟(jì)中德工程學(xué)院客座教授、南京大學(xué)學(xué)生創(chuàng)業(yè)導(dǎo)師、中德工業(yè)4.0智能制造標(biāo)準(zhǔn)化工作委員會(huì)德國(guó)代表等。

摘自《自動(dòng)化博覽》2020年1月刊